最新刊期
      2024 年 第 47 卷 第 4 期

        综述

      • “在3d过渡金属化合物电子结构研究领域，专家基于软X射线吸收谱学，为解析其精细电子结构提供新方法。”
        樊亚磊,周靖,胡志伟,王建强,张林娟
        2024, 47(4): 040001. DOI: 10.11889/j.0253-3219.2024.hjs.47.040001
        摘要：3d过渡金属化合物具有部分填充的3d壳层，展现出丰富多变的物理化学性质，在传感器、磁存储器、光电子器件、光催化以及电化学方面都有着广泛的应用，因此确定和理解它们的电子结构是极其重要的。软X射线吸收谱学的定量解析依赖基于晶体场理论和杂化理论的全原子多重态的理论计算方法，可以获取过渡金属及其配体的精细电子结构信息。在这篇综述中，首先简要介绍了软X射线吸收谱学的理论计算的基本原理，关键参数以及谱学计算软件等；随后，讨论了谱学理论计算在解析3d过渡金属化合物电子结构方面的应用，并着重介绍了其在电化学领域的应用。最后，对这一领域未来的发展提出了一些展望。  
        关键词：软X射线吸收谱;过渡金属;组态相互作用;自旋态;晶体场   
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        发布时间：2024-10-25

        加速器技术、射线技术及应用

      • “在航空γ能谱数据处理领域，专家提出了基于CUDA的GPU并行方案，实现了数据降噪处理的高效加速，为该领域研究提供了新方向。”
        熊超,王欣,王鑫杰,吴和喜
        2024, 47(4): 040201. DOI: 10.11889/j.0253-3219.2024.hjs.47.040201
        摘要：航空γ能谱数据体量巨大，使用中央处理器（Central Processing Unit，CPU）进行数据后处理时计算效率低。提出了一种基于通用并行计算架构CUDA（Compute Unified Device Architecture）的图形处理器（Graphics Processing Unit，GPU）并行方案，对航空γ能谱数据小波降噪处理过程进行并行加速优化。首先测试不同block尺寸对计算时间的影响，寻找处理航空γ能谱数据的最佳block尺寸；其次分别使用GPU计算不同数据体量和同一数据体量下不同小波基函数相较于CPU处理航空γ能谱数据的加速比；最后通过对实测航空γ能谱数据添加白噪声，计算降噪后数据信噪比，优选出适用于GPU并行加速计算的阈值降噪方法。计算结果表明：航空γ能谱数据降噪最佳block二维尺寸在64×64到128×128之间；数据降噪总时间加速比达100倍以上的小波基函数占80%，加速比达90倍以上的小波基函数占91%，其中coif5小波基函数可达353倍，阈值降噪函数加速比可接近570倍。不同降噪函数处理航空γ能谱数据的结果表明，所有函数在低信噪比条件下降噪效果不足，而在高信噪比下则会出现过度降噪，采用硬阈值的coif5、软阈值的coif1和改进阈值的bior3.7小波基函数可得到显著的降噪效果。  
        关键词：图形处理器;航空γ能谱;阈值降噪   
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        发布时间：2024-10-25
      • “在硼中子俘获治疗领域，新型曲面中子靶提升了出射中子前向性和散热性能。”
        王君岩,孔海云,李德明
        2024, 47(4): 040202. DOI: 10.11889/j.0253-3219.2024.hjs.47.040202
        摘要：锂靶是7Li（p，n）7Be型硼中子俘获治疗装置中的关键部件。为设计一种可绕中心轴旋转的半轮胎状曲面结构的复合材料Li靶，采用蒙特卡罗工具包TOPAS模拟2.5 MeV、20 mA质子束入射不同径轴比的曲面锂靶对出射中子角分布、能谱和通量的影响，采用ANSYS模拟了该靶的稳态温度分布。模拟结果表明：半轮胎状曲面结构的设计使得出射中子束更加集中，当径轴比为1.5时，出射角为0°~45°的中子数为相同情况平面靶的2.59倍，大于90°的中子数仅为相同情况平面靶的0.29倍。该曲面结构和褶皱水道设计使其散热性能也更优，对于50 kW的入射质子束，锂层稳态最高温度仅100 ℃，满足其散热要求。该新型曲面中子靶相比于传统平面靶极大地提升了出射中子的前向性和散热性能，在硼中子俘获治疗领域具有良好的应用前景。  
        关键词：硼中子俘获治疗;中子靶;蒙特卡罗模拟   
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        发布时间：2024-10-25
      • “在第四代反应堆中，核石墨在高温辐照条件下的缺陷演化行为和机理研究取得进展，为提高反应堆安全性提供解决方案。”
        李一言,贺周同,赵修良,彭善成,马慧磊
        2024, 47(4): 040203. DOI: 10.11889/j.0253-3219.2024.hjs.47.040203
        摘要：在第四代反应堆中，核石墨作为慢化体和反射体材料服役于高温和高通量的快中子辐照环境中。快中子辐照会在核石墨中产生大量的弗伦克尔缺陷对。这些缺陷经过湮灭、扩散、最终形成更大的缺陷团簇，从而改变核石墨的微观结构，进而改变核石墨的宏观性能。因此，研究核石墨在高温辐照条件下的缺陷演化行为和机理对提高反应堆安全性具有重要意义。本研究采用30 MeV的107Ag5+离子在420 ℃下辐照IG-110核石墨来模拟核石墨在快中子辐照过程中的缺陷演化行为。通过微区拉曼光谱对IG-110核石墨截面结构进行表征，并对比不同深度处的拉曼光谱特征参数和辐照损伤剂量之间的关系，研究IG-110核石墨微观结构随辐照损伤剂量（Displacements Per Atom，DPA）的演化行为。研究结果表明，随着注量的增加，核石墨拉曼光谱的特征参数D峰高度与G峰高度比值（ID/IG）、G峰半高宽（Full Width at Half Maximum of the G peak，FWHM（G））以及G峰的偏移量都显著增加。与58Ni5+辐照样品相比，相同辐照损伤剂量下， 107Ag5+辐照的石墨拉曼光谱的ID/IG和FWHM（G）更大。相同的FWHM（G）下，107Ag5+辐照的石墨拉曼光谱的ID/IG比58Ni5+辐照样品大。这些结果说明更重的重离子辐照会在核石墨中引起更高速率的缺陷积累，从而更快地导致石墨晶粒尺寸变小，并促进纳米晶化进程。  
        关键词：重离子辐照;IG-110核石墨;微区拉曼光谱;缺陷演化规律;高温辐照;截面拉曼成像   
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        发布时间：2024-10-25

        核化学、放射化学、放射性药物和核医学

      • “在核医学科建设领域，专家建立了放射性废水排放管理的RJ方程组，为医院废水排放管理提供指导。”
        张琪,葛云文
        2024, 47(4): 040301. DOI: 10.11889/j.0253-3219.2024.hjs.47.040301
        摘要：近年来，在核医学科建设加速发展过程中，含131I放射性废水暂存时间、衰变池建设等成为医院、环评机构、生态环境监管部门等十分关心的问题。《电离辐射防护与辐射源安全基本标准》（GB 18871―2002）、《核医学辐射防护与安全要求》（HJ 1188―2021）、《关于核医学标准相关条款咨询问题的回函》等标准和文件规定了衰变池中放射性废水（主要核素为131I）的合规排放方式。本文通过理论推导，给出了在满负荷情况下、衰变池废水存满时131I活度的理论计算公式；证明了含131I放射性废水三种合规的排放方式中，按GB 18871―2002规定的排放方式排放对医院核医学科运营最为有利；提出了RJ（Radioactivity Judgement）方程组，解决了含131I放射性废水最小暂存时间和衰变池容量应如何确定的问题。4家医院的实际监测数据结果表明，含131I放射性废水暂存时间达到RJ方程组计算出的最小暂存时间后，总的131I排放量符合国家生态环境标准要求。本研究可对医院核医学科衰变池建设、废水排放管理以及监管部门的监督检查提供明确、具体的指导。  
        关键词：医院;衰变池;放射性废水;131I   
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        发布时间：2024-10-25

        核电子学与仪器

      • “在X射线管研究领域，专家建立了透射式X射线管物理模型，分析了背散射电子对出射光束质量的影响，为微型X射线管数值仿真提供参考。”
        董浪,王明,孙甜甜,代伟,张磊,李国栋,张庆贤,谷懿,曾国强
        2024, 47(4): 040401. DOI: 10.11889/j.0253-3219.2024.hjs.47.040401
        摘要：X射线管工作时，管内会产生大量的背散射电子。在 X射线管内电场的作用下，背散射电子会被电场拉回到阳极靶上，并产生额外的 X射线，最终对出射光束质量产生不利影响。背散射电子的分布与X射线管的特性（管电压和靶材料）密切相关。因此，本文将从透射式X射线管中背散射电子的分布规律出发，系统讨论靶材料和管电压引起的背散射电子变化以及其对出射光束质量的影响。首先，在Geant4代码中建立了透射式X射线管的物理模型，并将计算结果与文献数据进行对比验证；其次，开展了不同管电压与靶材料对X射线管中背散射电子分布的影响分析；最后，探究了在管电压作用下背散射电子对出射光束质量的影响。结果显示：当考虑电场时，X射线管的出射光束半高全宽（Full Width at Half Maxima， FWHM）、光子产额和特征峰产额会有所增加，表明背散射电子会对出射光束的质量产生一定的影响。结果同时显示：对出射光束质量影响程度最高主要是第一代和第二代被电场拉回的背散射电子。当管电压发生改变时，背散射电子对出射光束质量的影响程度也会改变，管电压越大，背散射电子对X射线管出射光束质量的影响也越明显。本研究结果为未来开展微型透射式X射线管的数值仿真计算提供参考。  
        关键词：透射式X射线管;背散射电子;管电压;靶材料;GEANT4   
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        发布时间：2024-10-25
      • “在瞬时电离辐射效应研究领域，专家采用激光装置和脉冲γ射线辐射源，对SOI器件和集成电路进行了辐照试验，揭示了其与体硅器件的差异，为相关研究提供了新思路。”
        杜川华,段丙皇,熊涔,曾超
        2024, 47(4): 040402. DOI: 10.11889/j.0253-3219.2024.hjs.47.040402
        摘要：基于全介质隔离的绝缘硅（Silicon-on-insulator，SOI）器件与体硅器件的瞬时电离辐射效应存在差异，采用1 064 nm/12 ns激光装置开展了三种SOI晶体管的激光辐照试验，测试了不同激光能量下的晶体管光电流；采用脉冲γ射线辐射源开展了SOI集成电路的瞬时γ剂量率辐射试验，测试了不同剂量率条件下的电路功能、电参数和触发器链状态。研究表明：在相同激光能量条件和相同特征尺寸条件下，SOI晶体管的光电流峰值约为体硅晶体管的3.5%；SOI集成电路在1.0×109~4.2×1011 rad(Si)·s-1的试验剂量率范围内无闭锁效应，但存在显著的翻转效应，表现为功能短暂中断、电流和电压波动以及大量触发器状态错误。翻转效应的主要原因包括晶体管本身的翻转和印刷电路板（Printed Circuit Board，PCB）板级电路的电压波动。  
        关键词：SOI晶体管;微控制器;瞬时电离辐射效应;光电流   
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        发布时间：2024-10-25
      • “在中子探测领域，研究者提出了一种结合KPCA、MPA和ELM的机器学习鉴别方法，显著提升了n/γ甄别效率。实验结果显示，该方法的平均甄别准确率高达99.07%，为中子探测提供了高效解决方案。”
        胡万平,张贵宇,张云龙,庹先国,李户林
        2024, 47(4): 040403. DOI: 10.11889/j.0253-3219.2024.hjs.47.040403
        摘要：中子/伽马（n/γ）甄别在γ射线辐射存在的中子探测中至关重要。为了解决传统n/γ脉冲形状甄别方法存在的甄别精度不稳定的问题，提出了一种结合核主成分分析（Kernel Principal Component Analysis，KPCA）、海洋捕食者算法（Marine Predator Algorithm，MPA）和极限学习机（Extreme Learning Machine，ELM）的机器学习鉴别方法，以提升n/γ甄别效率。KPCA用于对中子和γ射线的脉冲信号特征进行降维；考虑到ELM输入层权重和隐藏层偏置的随机性，将MPA用于优化ELM的输入层权重和隐藏层偏置，提高ELM的n/γ甄别效率。通过对未降维和KPCA降维的数据进行训练和测试，实验结果表明：在测试集中KPCA-MPA-ELM的平均甄别准确率高达99.07%，分别高出ELM、MPA-ELM、KPCA-ELM模型12.19%、2.52%、1.56%；相较于电荷比较法和脉冲梯度分析法，精度也分别提高了1.80%和5.91%。该模型结构简单，稳定性好，能够处理高维数据，具有较好的甄别效果和泛化能力。  
        关键词：n/γ甄别;机器学习;核主成分分析;海洋捕食者算法;极限学习机   
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        发布时间：2024-10-25
      • “在低活度氚水浓集测量领域，采用氘内标法对固体聚合物电解水装置进行标定，避免了高活度氚水污染，提高了标定准确性和精密度。”
        王晨旭,薛孝宠,刘佳煜,曾友石,邓珂,张钦,朱励骁,刘卫,戈立新
        2024, 47(4): 040404. DOI: 10.11889/j.0253-3219.2024.hjs.47.040404
        摘要：固体聚合物电解水（Solid Polymer Electrolyte，SPE）在低活度氚水浓集测量中具有无电解质添加、电流大、无限减容比、安全环保等优势。然而标定其氚的富集因子Et时需采用高活度的氚水标样，这会造成系统的氚记忆效应。为了避免高活度氚水的污染，采用氘内标法对SPE浓氚装置进行标定。根据电解过程中氚分离系数（β）和氘分离系数（α）的强关联性，得到装置常数k值：αβ-1/βα-1；从而基于氘富集因子Ed，确定SPE电解浓氚仪的氚富集因子Edk。实验结果表明：k值在同款电解槽间波动较小，均值为1.088 9，变异系数为0.89%；k值受电解初始水量影响小，对电极材料敏感。k值作为常数用于同类型电解槽的标定具有高准确性和精密度。  
        关键词：固体聚合物电解水;分离系数;氚;氘;氚富集因子;氚回收率   
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        发布时间：2024-10-25

        核物理、交叉学科研究

      • “在储层岩石物理评价领域，通过蒙特卡罗模拟方法，对比了C/H与C/O测井方法的响应效果，为低矿化度储层含油饱和度计算提供解决方案。”
        李巽,吴文圣,董夺
        2024, 47(4): 040501. DOI: 10.11889/j.0253-3219.2024.hjs.47.040501
        摘要：准确地测定地层中含油饱和度是储层岩石物理评价的重要组成部分，C/H测井和C/O测井都是计算低矿化度储层含油饱和度的主要方法。为了对比C/H与C/O两种方法的测井响应效果，采用蒙特卡罗模拟方法，应用球状模型和参考Halliburton公司的C/O测井仪器储层性能检测仪（Reservoir Performance Monitor，RPM）所设置的模型进行数值模拟。计算得到了不同地质参数和孔隙结构下地层原子特征能窗的γ光子计数，分析了C/O和C/H与孔隙度和饱和度的关系以及对饱和度的灵敏度。计算结果表明：在套管井中C/H和C/O与孔隙度和饱和度具有相同的关系，都可以用于井下的饱和度计算。但是C/H受井眼环境影响更大，对饱和度的灵敏度更低，不适用于复杂井眼的饱和度计算。  
        关键词：C/O测井;C/H测井;测井响应;计算模型   
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        发布时间：2024-10-25
      • “在X射线自由电子激光装置领域，专家开发了自动化辐照模拟程序AISL，显著提高了材料辐照损伤模拟计算效率。”
        周悦,海雪,任翠兰,殷亚茹,商琨琳,雷蕾,怀平
        2024, 47(4): 040502. DOI: 10.11889/j.0253-3219.2024.hjs.47.040502
        摘要：在高强度X射线辐照下，X射线自由电子激光（X-ray Free-electron Laser，XFEL）装置的光学元件薄膜产生的大量辐照缺陷会导致材料结构损伤，引起宏观性能退化，从而影响其服役寿命，进而影响到XFEL装置的可靠性和稳定性。为了研究材料辐照缺陷过程以及方便耐辐照材料的数据积累，提供了一种基于Python语言的自动化辐照模拟程序AISL（Automatic Irradiation Simulation based on LAMMPS），以支持采用分子动力学方法模拟XFEL对材料的辐照损伤进行微观研究。AISL实现了模拟任务的自动化工作流管道，包括高通量计算任务的管理和执行，计算数据的高可靠存储和热力学信息的后处理。基于AISL在XFEL光学元件金属薄膜辐照损伤模拟的应用实例研究，表明了AISL是一种便捷开展高通量自动化的辐照模拟研究的有效方法，能够显著提高基于LAMMPS的材料辐照损伤模拟计算效率。  
        关键词：XFEL;辐照损伤;LAMMPS;工作流;数据库   
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        发布时间：2024-10-25
      • “在核辐射探测领域，无铅双钙钛矿Cs2AgBiBr6材料备受关注。研究发现，Cu+掺杂能显著提高其稳定性和光电转换率。专家基于第一性原理，采用密度泛函，模拟研究了Cu+掺杂对Cs2AgBiBr6结构和电学性能的影响。结果表明，掺杂后材料稳定性提高，能带间隙缩短，具有更优的电学性能，可作为半导体辐射探测器的候选材料。”
        潘炀烜,刘义保,魏强林,张子雄,李凯旋
        2024, 47(4): 040503. DOI: 10.11889/j.0253-3219.2024.hjs.47.040503
        摘要：无铅双钙钛矿Cs2AgBiBr6作为环境友好型材料受到了核辐射探测领域的广泛关注，实验上发现对Cs2AgBiBr6进行Cu+掺杂能够显著提高材料稳定性与光电转换率。目前Cu+掺杂Cs2AgBiBr6的影响还未得到理论系统研究，本文基于第一性原理，采用密度泛函，开展了Cu+掺杂Cs2AgBiBr6对结构和电学性能影响的模拟研究。研究结果表明，Cu+掺杂会提高Cs2AgBiBr6的稳定性。掺杂形成的Cs2Ag1-xCuxBiBr6与原始材料Cs2AgBiBr6皆为间接带隙半导体，并随着Cu+掺杂比例提高能带间隙会显著缩短。根据态密度图分析，能带间隙缩短是由于Cu+掺杂会导致由Bi6p轨道主导的导带底部下移。Cs2Ag1-xCuxBiBr6相比Cs2AgBiBr6具有更高的稳定性与更优的电学性能，可作为半导体辐射探测器的候选材料。  
        关键词：第一性原理计算;Cs2Ag1-xCuxBiBr6;核辐射探测;电子结构;Cu+掺杂   
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        发布时间：2024-10-25
      • “在磁场控制领域，研究者通过建模分析，验证了多TSR线圈协同控制偶极场线圈姿态的可行性，为磁场控制研究开辟了新方向。”
        王召,刘腾,杜俊杰,刘云辉,张国书
        2024, 47(4): 040504. DOI: 10.11889/j.0253-3219.2024.hjs.47.040504
        摘要：基于线段近似方法对几何结构相对复杂的偶极场姿态控制（Tilt-Slide-Rotate coils，TSR）线圈的线圈作用力进行了研究。在偶极场倾斜和偏移情况下，分别通过控制对侧和同侧TSR线圈产生磁力使偶极场线圈恢复平衡位置的情形进行了建模分析。计算TSR线圈和偶极场线圈耦合磁场及分析磁场线结构，并采用具有正弦电流形式的TSR线圈激励磁场模拟环向磁扰动，对扰动磁场在赤道面上的庞加莱截面图的磁场线结构和相位进行分析。发现仅通过一组同侧或对侧TSR线圈控制偶极场线圈使其恢复平衡时该过程具有力学不稳定性，需要多组TSR线圈协同控制。对全部TSR线圈施加伪正弦电流，会对背景偶极磁场产生压缩和拉伸效应，并且控制TSR线圈电流来控制压缩位置相位，该过程验证了多TSR线圈控制偶极场线圈姿态的可行性，但同时会使背景磁场发生漂移及形成开放磁场线，这可能会驱动等离子体不稳定性及导致粒子的损失。  
        关键词：线段近似法;任意曲线环电流;力平衡分析;天环一号   
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        发布时间：2024-10-25

        核能科学与工程

      • “在小型模块化熔盐堆热量传输领域，专家采用数值模拟方法，建立了印刷电路板式换热器流动传热特性的预测模型，为换热器设计提供理论基础。”
        丁梦婷,陈玉爽,傅远
        2024, 47(4): 040601. DOI: 10.11889/j.0253-3219.2024.hjs.47.040601
        摘要：印刷电路板式换热器（Printed Circuit Heat Exchanger，PCHE）换热效率高，结构紧凑，可作为小型模块化熔盐堆热量传输的关键设备，对其流动换热特性的研究具有重要意义。采用数值模拟方法，以翼型通道的熔盐（FNaBe）-氦气换热器为研究对象，通过计算流体动力学（Computational Fluid Dynamics，CFD）数值模拟计算对其熔盐侧的传热特性和阻力特性进行对比分析，分别得到不同温度、翅片类型和不同节距结构下的熔盐（FNaBe）-氦气换热器的流动换热特性，并与传统直通道结构对比进行综合评估。研究结果表明，数值模拟的计算结果与实验结果对比符合较好，翼型翅片流道结构相较于直通道结构能够强化传热、降低阻力，其中节距为8 mm的NACA0025翼型翅片流道结构的流动传热特性最好。本研究建立的数值模拟方法能够用于印刷电路板式换热器的流动传热特性的预测，拟合出节距为8 mm的NACA0025翼型翅片结构的经验关联式，为后续换热器的设计提供理论基础。  
        关键词：印刷电路板式换热器;熔盐;流动换热特性;数值模拟   
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        发布时间：2024-10-25
      • “在铅冷快堆非能动余热排出系统设计领域，专家采用MBSE方法，通过需求分析、功能分析和设计综合，提高了设计效率，降低了风险。”
        唐锚,赵鹏程,李文杰,王凯
        2024, 47(4): 040602. DOI: 10.11889/j.0253-3219.2024.hjs.47.040602
        摘要：针对传统的铅冷快堆非能动余热排出系统设计中存在开发效率低、迭代周期长、模型二义性等前期需求问题，本研究将基于模型的系统工程（Model-based System Engineering，MBSE）方法应用于铅冷快堆非能动余热排出系统设计需求中，结合设计流程进行系统架构的初步设计，该系统架构由需求分析、功能分析和设计综合三部分组成。结果表明：需求分析阶段生成的需求图和用例图可捕获系统需求并确定系统顶层用例；功能分析阶段绘制的时序图、活动图和状态机图可形成系统功能模型并提供早期确认与验证；设计综合阶段建立的白盒模型最终实现系统架构的分析与设计。采用该方法设计的系统架构可确保前后设计需求一致性，进一步降低设计风险并提高设计效率，可为数字化铅冷快堆非能动余热排出系统设计与优化提供应用参考。  
        关键词：基于模型的系统工程;铅冷快堆;非能动余热排出系统;设计需求;架构设计   
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        发布时间：2024-10-25
      • “在核电站严重事故研究领域，专家利用MAAP程序建模，分析了不同源项释放模型对放射性污染的影响，为控制源项释放提供解决方案。”
        袁显宝,彭珏钦,张彬航,毛璋亮,唐海波,魏靖宇,周建军
        2024, 47(4): 040603. DOI: 10.11889/j.0253-3219.2024.hjs.47.040603
        摘要：反应堆严重事故时堆芯发生熔化现象，导致部分放射性源项不再留存于燃料中，将会通过各种途径释入环境，对周围造成严重的放射性污染。为了研究不同模型下裂变产物在压力容器内外释放量及其衰变热分布，分析喷淋系统对控制源项释放及热量的影响。基于典型的百万千瓦级压水堆核电站模型，利用一体化安全分析程序MAAP建模，分析计算CORSOR-M、CORSOR-O和ORNL-BOOTH三种源项释放模型反应堆一回路热管段破口叠加高、低压安注失效的事故序列和后果。结果表明：裂变产物源项主要在压力容器内释放，释放量远多于压力容器外的释放量。CORSOR-O模型下压力容器最晚融穿，安全壳失效最早；ORNL-BOOTH中压力容器虽最先融穿，但安全壳失效远晚于其他两种模型。源项释放差异导致不同模型衰变热现象不同，主要热源皆为挥发性裂变产物。开启喷淋不仅可以使悬浮碘化物充分控制在安全壳内，还能有效带走源项产生的衰变热，降低安全壳压力，保证安全壳完整性。  
        关键词：破口事故;裂变产物源项;安全壳失效;喷淋系统;衰变热   
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        发布时间：2024-10-25
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